曾晨陽 武燕 丁波 符裕紅 張宏程 徐艷梅 宋雪紅

摘要 本研究在貴州省扎佐林場選取3種不同森林恢復模式（針葉林、闊葉林、針闊混交林）樣地作為研究對象，通過坐標綜合評定、野外調查、環(huán)刀等方法，并結合土壤持水量、土壤攔蓄量等指標，評價3種不同森林恢復模式的土壤層（0～20、20～40、40～60 cm）持水能力變化特征，探究貴州脆弱生態(tài)區(qū)不同森林恢復模式下土壤層水源涵養(yǎng)能力，為森林植被恢復與建設及其水源涵養(yǎng)能力改善提供一定科學依據(jù)。結果表明，土壤最大持水量、土壤飽和蓄水量、非毛管孔隙度和總孔隙度在0～20 cm土層表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>針闊混交林（p<0.05）；針葉林恢復模式下，土壤最大持水量、毛管持水量、土壤飽和蓄水量、土壤有效蓄水量、毛管孔隙度均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）；坐標綜合評定法分析得出土壤層綜合水源涵養(yǎng)能力大小為闊葉林>針闊混交林>針葉林。貴州扎佐林場闊葉林下土壤較針葉林和針闊混交林下土壤水源涵養(yǎng)能力更優(yōu)，建議該地區(qū)進行森林恢復建設時，首選闊葉樹種，對整個森林的水土保持及預防水土流失有積極作用。

關鍵詞 森林恢復模式；土壤層；水源涵養(yǎng)能力；坐標綜合評定法

中圖分類號 S714? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）09-0095-05

森林水源涵養(yǎng)是指森林生態(tài)系統(tǒng)在一定時間和空間范圍內保持水分的過程和能力，是森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要體現(xiàn)[1]，主要體現(xiàn)在森林植被層、枯落物層及土壤層等對水分的攔蓄、吸持與再分配等[2-3]。土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體。土壤中具有大量豐富的毛管孔隙，可貯存部分降水，以供植物生長發(fā)育，同時土壤層水源涵養(yǎng)能力占森林生態(tài)系統(tǒng)綜合水源涵養(yǎng)能力的90%以上[4]。研究表明，森林恢復可以減少土壤的侵蝕和水土流失，改善當?shù)厮纳鷳B(tài)服務功能[5-6]，且植被恢復類型及森林管理模式等因素能顯著影響森林水源涵養(yǎng)能力[7-8]，森林生態(tài)系統(tǒng)自身的復雜性和不同的林分結構導致森林水源涵養(yǎng)能力研究結果的巨大差異[9]。因此，對于不同森林恢復模式的水源涵養(yǎng)能力，有必要開展針對性研究和評價。

喀斯特地貌類型約占全球陸地總面積的12%[10]，西南喀斯特區(qū)是中國非常重要的脆弱生態(tài)功能區(qū)，貴州省位于該區(qū)域的中心，喀斯特面積占全省土地面積的62%[11]。由于喀斯特地貌的制約，研究區(qū)域水土流失嚴重、石漠化比例較高、地表土層淺薄、土壤總量少，嚴重限制該地區(qū)森林水源涵養(yǎng)能力[12]。在過去的幾十年，貧困人口相對集中，人與用地矛盾日益加劇，過渡的砍伐和不合理利用更加劇了石漠化和水土流失程度，造成該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化[13]。環(huán)境急劇惡化，國家在“十一五”規(guī)劃中提出重點保護貴州石漠化地區(qū)綜合治理生態(tài)工程，在貴州各地區(qū)開展森林恢復生態(tài)工程[14]。為檢驗貴州生態(tài)脆弱區(qū)不同森林恢復模式水源涵養(yǎng)能力大小，闡明不同森林恢復模式水源涵養(yǎng)的生態(tài)效應和生態(tài)過程，本研究以貴州省國有扎佐林場為研究區(qū)，選擇針葉林、闊葉林及針闊混交林3種恢復模式樣地為研究對象，通過對土壤層水源涵養(yǎng)能力進行測定，探討不同森林恢復模式的土壤層水源涵養(yǎng)能力，為該地區(qū)的后繼保護管理及相關水源涵養(yǎng)能力的研究提供數(shù)據(jù)支撐，指出扎佐林場森林水源涵養(yǎng)能力在脆弱生態(tài)區(qū)進行植被恢復建設的重要意義，同時在促進森林生態(tài)系統(tǒng)水分有效利用及減少水分對森林水土流失和生態(tài)環(huán)境負面影響等方面做出貢獻。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省扎佐國有林場（26°50′56.12″N、106°42′59.25″E），該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年均溫為15.3 ℃，年均降水量為1 129.5 mm，海拔高度為1 200～1 430 m。林場地跨貴陽市修文縣、開陽縣、息烽縣、烏當區(qū)、白云區(qū)以及黔南州惠水縣。經(jīng)營面積1萬hm2，土壤類型以黃壤為主，植被較為豐富，喬木主要包括柳杉（Cryptomeria japonica var. sinensis Miq.）、馬尾松（pinus massoniana Lamb.）、楓香（Liquidambar formosana Hance）等，灌木主要包括白馬骨（Serissa serissoides （DC.） Druce）、莢蒾（Viburnum dilatatum Thunb.）、榛（Corylus heterophylla Fisch.ex Trautv.）等，草本主要包括姬蕨［Hypolepis punctata（Thunb.）Mett.］、雙蓋蕨［Diplazium donianum （Mett.） Tardieu］、沿階草（Ophiopogon bodinieri H. Lév.）等，森林恢復模式以針葉林、闊葉林和針闊混交林3種類型為主。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

試驗于2021年11月至2022年4月在貴州省修文縣扎佐林場開展，在該地區(qū)設置針葉林、闊葉林及針闊混交林3種森林恢復模式的樣地，樹木林齡均為20～30 a，長勢良好，立地條件一致。樣地面積為20 m×20 m，內設5個2 m×2 m的灌木樣方和5個1 m×1 m的枯落物及草本樣方。每種森林恢復模式設置3個重復，樣地總數(shù)為3種森林恢復模式×3個重復，共計9個樣地。記錄每塊樣地的地理位置、海拔、坡位、坡度、樹種類型等信息，對樣地內的喬木樹種進行每木檢尺，測量胸徑、樹高，并計算郁閉度及密度等基本信息（表1）。

2.2 土壤層樣品的采集及其水源涵養(yǎng)能力測定

土壤水源涵養(yǎng)能力的測定采用環(huán)刀法。在樣地內選擇有代表性的地段挖土壤剖面，在垂直的土壤剖面上依次劃分0～20、20～40、40～60 cm土層，在每層用環(huán)刀取3個土壤樣品，稱量鮮重，按其原狀裝入鋁盒，并帶回實驗室自然風干并測定水源涵養(yǎng)能力。計算公式如下：

式中：m1為環(huán)刀內干土質量（g）；m2為浸潤12 h后環(huán)刀內濕土的質量（g）；m3為在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內濕土質量（g）；Wt為土壤飽和蓄水量（t/hm2）；Hm為土壤最大持水量（mm）；W0 為土壤有效蓄水量（t/hm2）；H0為土壤非毛管持水量（mm）。

2.3 水源涵養(yǎng)能力的量化

參照陳引珍等[15]的坐標綜合評定法，對不同恢復模式枯落物層和土壤層進行水源涵養(yǎng)功能綜合評價。計算出每種恢復模式類型的∑[P2i]值，并由小到大進行排序，綜合值越小，水源涵養(yǎng)功能越優(yōu)。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

采用Microsoft Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行初步整理，使用SPSS 26.0軟件進行方差分析，利用Origin 2017軟件制圖。

3 結果與分析

3.1 土壤蓄積能力

本文采用飽和蓄水量、有效蓄水量、最大持水量、毛管持水量4個指標變化表示土壤層的蓄積能力。由圖1可知，相同森林恢復模式下，不同土層主要影響最大持水量、土壤飽蓄水量、毛管持水量和土壤有效蓄水量4個指標的變化，主要表現(xiàn)為最大持水量與土壤飽和蓄水量在針葉林均表現(xiàn)為0～20 cm（2.81 mm、28.11 t/hm2）顯著高于20～40 cm（2.42 mm、24.20 t/hm2）和40～60 cm（2.28 mm、22.82 t/hm2）（p<0.05），而20～40 cm和40～60 cm 之間最大持水量與土壤飽和蓄水量并無顯著差別；毛管持水量和土壤有效蓄水量在針闊混交林和針葉林下均表現(xiàn)為0～20 cm顯著高于40～60 cm，而20～40 cm的毛管持水量和土壤有效蓄水量與其他2個土層并無顯著差別。

圖1還表明，相同土層不同森林恢復模式主要影響最大持水量和土壤飽和蓄水量2個指標的變化，主要表現(xiàn)為最大持水量和土壤飽和蓄水量在0～20 cm土層均表現(xiàn)為針葉林（2.81 mm、28.11 t/hm2）顯著高于針闊混交林（2.41 mm、24.07 t/hm2）和闊葉林（2.47 mm、24.65 t/hm2）（p<0.05）；土壤飽和蓄水量在40～60 cm土層表現(xiàn)為闊葉林（24.01 t/hm2）顯著高于針闊混交林（22.35 t/hm2）（p<0.05），針葉林（22.82 t/hm2）與二者并無顯著差異（p>0.05）。

3.2 土壤層孔隙度

圖2顯示，相同森林恢復模式下，不同土層主要影響毛管孔隙度這個指標的變化，主要表現(xiàn)為毛管孔隙度在針闊混交林和針葉林下均表現(xiàn)為0～20 cm（39.77%、44.17%）顯著高于40～60 cm（36.28%、37.04%）（p<0.05），20～40 cm（37.46%、39.52%）的毛管孔隙度則與0～20 cm和40～60 cm土層無顯著差異（p>0.05）。

圖2還表明，相同土層不同森林恢復模式主要影響非毛管孔隙度和總孔隙度2個指標的變化，主要表現(xiàn)為非毛管孔隙度在0～20 cm土層下表現(xiàn)為針葉林（12.05%）顯著高于針闊混交林（8.36%）（p<0.05）；總孔隙度在0～20 cm土層表現(xiàn)為針葉林（56.22%）顯著高于針闊混交林（48.13%）和闊葉林（49.30%）（p<0.05），在40～60 cm土層表現(xiàn)為闊葉林（48.02%）顯著高于針闊混交林（44.71%）（p<0.05），其余均無顯著差別（p>0.05）。

3.3 不同森林恢復模式土壤的水源涵養(yǎng)能力綜合分析

本文采用坐標綜合評定法，將土壤不同水源涵養(yǎng)指標量綱歸一化，進而得出綜合評價的結果，根據(jù)[∑2p]數(shù)值的大小判斷水源涵養(yǎng)功能的強弱。表2顯示，不同森林恢復模式土壤層[∑2p]的大小順序為闊葉林（0.45）<針闊混交林（0.59）<針葉林（0.68），說明土壤層水源涵養(yǎng)功能大小順序為闊葉林>針闊混交林>針葉林。

4 討論

土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤飽和蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤孔隙度等指標常被用來判斷森林土壤層水源涵養(yǎng)能力的大小[15]。研究表明，土壤層蓄水能力與毛管孔隙度相關指標在不同土層均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）。究其原因，0～20 cm土層上覆蓋有腐爛的枯枝落葉，與外界環(huán)境物質的交換頻繁，其在結構、質地以及有機質含量上遠高于深層土壤，土壤容重更小、孔隙度也就更大[16-17]。聶小飛等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下，孔隙度越大，土壤容重越小，土壤的疏松程度和通氣透水性越好，土壤發(fā)育就越好，土壤對水分蓄積保持的能力越強。

不同樹種以及不同的林分結構會改變土壤的理化性質，從而改變土壤的水源涵養(yǎng)能力[18]，且非毛管孔隙越大，土壤對降雨吸收越快，下滲能力更強[19]。不同森林恢復模式下土壤層水源涵養(yǎng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、土壤飽和蓄水量在0～20 cm土層都表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>針闊混交林（p<0.05）?？紫抖葲Q定土壤持水能力，因此最大持水量與孔隙度變化一致[20]，與本文結論針葉林土壤表層持水能力最強，其次為闊葉林，針闊混交林最小一致。有研究同樣發(fā)現(xiàn)不同的林型可通過影響土壤的結構從而影響林分水源涵養(yǎng)能力，例如趙陽等[21]在白龍河、洮河林區(qū)研究發(fā)現(xiàn)土壤最大持水量表現(xiàn)為冷杉林最強，其次是樺木林，櫟類混交林最弱；陳琦等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當針葉林（杉木）成熟后，其林下土壤的水源涵養(yǎng)能力大于闊葉林、針闊混交林。

5 結論

本研究表明，樹種組成差異會影響到土壤層的水文特性，結合前人的研究結論和本文的研究結果，在今后的森林經(jīng)營中，特別是在植被恢復過程中，為了使其發(fā)揮最優(yōu)的水源涵養(yǎng)效益，獲得較好的經(jīng)濟效益，應慎重選擇樹種。因此結合恢復建設地區(qū)的實際情況，建議該地區(qū)進行森林恢復建設時，首選闊葉樹種，對整個森林的水源涵養(yǎng)、水土保持及預防水土流失有較好的積極作用。森林水源涵養(yǎng)能力不僅體現(xiàn)在土壤層，還主要體現(xiàn)在森林林冠層、枯落物層上[23]。關于本研究區(qū)森林的水源涵養(yǎng)能力，仍需在今后研究工作中持續(xù)開展。

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基金項目 黔科合基礎-ZK[2023]一般282；貴州省教育廳科研平臺項目（黔教技[2022]051號）；貴州省自然科學基金項目（黔科合基礎[2019]1251號）（S202114223011）；貴州師范學院校級大學生科研項目（2021DXS097）。

作者簡介 曾晨陽（2000—），男，貴州遵義人。研究方向：森林生態(tài)研究。